JP2005066013A - Method and apparatus for controlling continuous flow rotary blood pump - Google Patents

Method and apparatus for controlling continuous flow rotary blood pump Download PDF

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Yukihiko Nose
ノセ ユキヒコ
Toshiyuki Shinohara
シノハラ トシユキ
Ryo Kosaka
コサカ リョウ
Hirohito Sumikura
スミクラ ヒロヒト
Original Assignee
Miwatec:Kk
株式会社ミワテック
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure safety, or the like, by automatically and efficiently operating a rotary blood pump in response to rapid change deviated from the normal operation range of a pump operation state, in a rotary blood pump control system. <P>SOLUTION: The control system for the continuous flow rotary blood pump is provided. The normal operating range of the blood pump is established. The normal operating range comprises a normal pump flow range and a normal head pressure range. A target rotational speed of the pump is set in accordance with the normal operation range. A current operating condition of the blood pump is determined. The current operating condition may comprise a current pump flow rate, a current head pressure and a current rotational speed of the pump. The current operating condition is compared with the normal operating range. An appropriate control algorithm is selected from a plurality of available control algorithms based on the comparison. The target rotational speed of the pump is adjusted by using the selected control algorithm to maintain or recover the normal operating range. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、心不全の助けとなるロータリ血液ポンプの分野に関し、さらに詳しくは、遠心ポンプ又は軸流ポンプなどの定常流ロータリ血液ポンプ用制御システムに関するもので、
ポンプ流量が所定範囲外にあると検出されなければ身体の自律機能と競合しない定常流ロータリ血液ポンプの制御に関する。なお、本出願は、2002年9月10日出願の米国特許申請10/241,825号の一部継続出願である。
The present invention relates to the field of rotary blood pumps that aid in heart failure, and more particularly to a control system for a steady flow rotary blood pump such as a centrifugal pump or an axial pump.
The present invention relates to control of a steady-flow rotary blood pump that does not compete with the body's autonomous function unless it is detected that the pump flow rate is outside a predetermined range. This application is a continuation-in-part of US Patent Application No. 10 / 241,825, filed on September 10, 2002.
様々なロータリ血液ポンプが、心臓補助装置として使用するため開発され、現在も開発中である。拍動流ポンプに比べ、ロータリ血液ポンプは小型で効率がよく設計が単純といった幾つかの利点がある。   A variety of rotary blood pumps have been developed for use as cardiac assist devices and are still under development. Compared to pulsatile pumps, rotary blood pumps have several advantages such as being small, efficient and simple in design.
しかし、従来のロータリ血液ポンプ用のサーボ制御システムには、未だ開発の余地がある。ポンプと患者の状態を見守ることができるように、たいていの場合、技師が集中治療状態の患者を看視しなくてはならない。これは、現時点では、ポンプの回転数を制御するために人手が必要であるためである。   However, there is still room for development in the conventional servo control system for the rotary blood pump. In most cases, the technician must watch the patient in intensive care so that the condition of the pump and the patient can be monitored. This is because at present, manpower is required to control the rotation speed of the pump.
このロータリ血液ポンプを、左心補助人工心臓(LVAS)として用いる場合、圧力ヘッドが一定のポンプ回転数と伴に減少した際にはポンプ流量を増加しなければならない。なぜなら、ポンプインペラの一定した回転数ではなく、患者の生理的状態に合わせてこれらのパラメータが自動調整されるからである。しかし、生理的変化又は過大汲上げのため静脈還流が急に低くなるとポンプ入口に高い負圧が生じ、これが心房および静脈内で吸引状態を起こすことがある。この状態は患者に深刻な障害(痛手)を与え、死に至ることもある。   When this rotary blood pump is used as a left ventricular assist device (LVAS), the pump flow must be increased when the pressure head decreases with a constant pump speed. This is because these parameters are automatically adjusted according to the physiological state of the patient, not the constant rotation speed of the pump impeller. However, when venous return suddenly decreases due to physiological changes or excessive pumping, a high negative pressure is created at the pump inlet, which can cause suction in the atria and veins. This condition can cause serious disability (pain) to the patient and can result in death.
ロータリ血液ポンプは、養護施設及び保健医療環境など、病院環境の外で使用することが出来るので、ロータリ血液ポンプ用の人の監視及び介入が不要な制御用自動制御システムを備えることが必要である。このような制御システムにおいては、ポンプ動作状態の正常動作範囲から逸脱する急激な変化に応答して、ロータリ血液ポンプを自動的に効率的に動作させる必要がある。   Since rotary blood pumps can be used outside hospital environments such as nursing homes and health care environments, it is necessary to have an automatic control system for controls that does not require human monitoring and intervention for rotary blood pumps . In such a control system, it is necessary to automatically and efficiently operate the rotary blood pump in response to a sudden change deviating from the normal operating range of the pump operating state.
本願発明において、血液ポンプの正常動作範囲が確定される。正常動作範囲には、正常ポンプ流量範囲及び正常圧力ヘッド範囲が含まれる。この正常動作範囲を基にポンプの目標回転数が設定出来る。また血液ポンプの現在動作状態を測定する。   In the present invention, the normal operating range of the blood pump is established. The normal operating range includes a normal pump flow range and a normal pressure head range. Based on this normal operating range, the target rotational speed of the pump can be set. It also measures the current operating state of the blood pump.
現在動作状態には、現在ポンプ流量、現在圧力ヘッド、及びポンプの現在回転数が含まれる。この現在動作状態は正常動作範囲と比較することができ、その比較の結果に基づいて、複数の利用可能な制御アルゴリズムから適切な制御アルゴリズムを選択する。次いで、選択した制御アルゴリズムを用いてポンプの目標回転数を調節し、正常動作状態を維持又は回復することが出来る。   Current operating conditions include current pump flow, current pressure head, and current pump speed. This current operating state can be compared with a normal operating range, and an appropriate control algorithm is selected from a plurality of available control algorithms based on the result of the comparison. The selected control algorithm can then be used to adjust the target rotational speed of the pump to maintain or restore normal operating conditions.
このロータリ血液ポンプは、左心補助人工心臓もしくは右心補助人工心臓として用いられる。この血液ポンプは、埋込み型装置もしくは外付け型とする。   This rotary blood pump is used as a left ventricular assist device or a right ventricular assist device. This blood pump is an implantable device or an external type.
現在ポンプ流量、現在圧力ヘッド、及び現在回転数の測定値を現在動作状態の判定に用いる。1つ以上のセンサを用いて、現在ポンプ流量、現在圧力ヘッド、及び現在回転数を測定する。当該センサは埋込み型センサであるが、代わりに外付け型センサであってもよい。   The measured values of the current pump flow rate, the current pressure head, and the current rotation speed are used to determine the current operation state. One or more sensors are used to measure the current pump flow, current pressure head, and current speed. The sensor is an embedded sensor, but may be an external sensor instead.
ポンプの目標回転数に関する目標動作点を決定することで、正常動作範囲が確定される。これにより、目標ポンプ流量及び目標圧力ヘッドも決まる。正常ポンプ流量範囲は目標ポンプ流量から偏差20%以内とし、正常圧力ヘッド範囲は目標圧力ヘッドから偏差25%以内とする。   The normal operating range is determined by determining the target operating point related to the target rotational speed of the pump. This also determines the target pump flow rate and target pressure head. The normal pump flow range is within 20% of the deviation from the target pump flow, and the normal pressure head range is within 25% of the deviation from the target pressure head.
正常動作範囲内にあるうちに正常動作状態制御アルゴリズムが選択される。この場合には、比例利得制御と微分利得制御を適用しポンプの目標回転数を維持する。比例利得制御と微分利得制御は下記の式に則って適用される。
u=Kp(Ytarget〜Y)
+Kd((d/dt)Ytarget〜(d/dt)Y)
uを前記ポンプの駆動信号とし、Yをポンプの回転数とし、Ytargetをポンプの目標回転数とし、Kp と比例利得、Kd を微分利得とする。Kp は約0.02に設定し、Kd
は約0.05に設定する。
While in the normal operating range, the normal operating state control algorithm is selected. In this case, proportional gain control and differential gain control are applied to maintain the target rotational speed of the pump. Proportional gain control and differential gain control are applied according to the following equations.
u = K p (Y target ~ Y)
+ K d ((d / dt) Ytarget to (d / dt) Y)
u is the pump drive signal, Y is the pump speed, Ytarget is the target speed of the pump, Kp is the proportional gain, and Kd is the differential gain. Set Kp to about 0.02 and Kd
Is set to about 0.05.
現在動作状態が前記正常動作範囲を上回る場合は、第1異常動作状態制御アルゴリズムを選択する。正常動作範囲に回復するまで、このアルゴリズムが目標回転数を減少する。前記正常動作範囲に回復するまで、目標回転数を例えばt秒毎にxrpm分減少する。遠心ポンプに関しては、回転数を例えば5秒毎に約150rpm分減少することで正常動作範囲に回復すること、軸流ポンプに関しては、回転数を例えば5秒毎に約600rpm分減少することで正常動作範囲に回復することが研究により明らかになっている。   If the current operating state exceeds the normal operating range, the first abnormal operating state control algorithm is selected. This algorithm reduces the target speed until the normal operating range is restored. The target rotational speed is decreased by, for example, x rpm every t seconds until the normal operating range is restored. For centrifugal pumps, the rotational speed is reduced to about 150 rpm every 5 seconds, for example, to recover to the normal operating range. For axial pumps, normal speed is reduced by about 600 rpm, for example, every 5 seconds. Studies have shown that the operating range is restored.
現在動作状態が前記正常動作範囲を下回る場合は、第2異常動作状態制御アルゴリズムを選択する。正常動作範囲に回復するまで、このアルゴリズムが目標回転数を増加する。前記正常動作範囲に回復するまで、目標回転数を例えば、t秒毎にxrpm分増加する。遠心ポンプに関しては、回転数を例えば5秒毎に約150rpm分増加することで正常動作範囲に回復すること、軸流ポンプに関しては、回転数を例えば5秒毎に約600rpm分増加することで正常動作範囲に回復することが研究により明らかになっている。   If the current operating state is below the normal operating range, the second abnormal operating state control algorithm is selected. This algorithm increases the target speed until the normal operating range is restored. The target rotational speed is increased by, for example, x rpm every t seconds until the normal operating range is restored. For centrifugal pumps, the rotational speed is increased to about 150 rpm every 5 seconds, for example, to recover to the normal operating range. For axial pumps, normal speed is increased by about 600 rpm, for example, every 5 seconds. Studies have shown that the operating range is restored.
しかし、回転数を増加しても正常動作範囲に回復しないときは、(例えば、オーバポンピングのため)吸引状態があると判断し、吸引状態制御アルゴリズムを選択する。このアルゴリズムは、吸引およびオーバポンピングのないポンプ流を得るため、ポンプの目標回転数を連続して減少し、吸引状態を解除する。吸引状態が解除されると、ポンプの目標回転数を次第に増加して前記正常動作範囲に回復する。   However, if the normal operating range does not recover even when the rotational speed is increased, it is determined that there is a suction state (for example, due to overpumping), and a suction state control algorithm is selected. This algorithm continuously reduces the target rotational speed of the pump and releases the suction state in order to obtain a pump flow without suction and overpumping. When the suction state is released, the target rotational speed of the pump is gradually increased to recover the normal operating range.
吸引状態の解除に当たっては、目標回転数をt秒毎にx1rpm分連続して減少する。吸引状態が解除されたら、目標回転数をt秒毎にx2rpm分連続して増加し、正常動作状態を回復する。
遠心ポンプに関しては、ポンプの回転数を5秒毎に約150rpm分(即ち、x1が約150rpmでtが、約5)減少すると、吸引状態が解除されることが研究により明らかになっている。次いで、ポンプの回転数を5秒毎に約50rpm分(即ち、x2が約50rpmで、tが約5秒)増加することで正常動作範囲を回復する。
In releasing the suction state, the target rotational speed is continuously decreased by x1 rpm every t seconds. When the suction state is released, the target rotational speed is continuously increased by x2 rpm every t seconds to recover the normal operation state.
For centrifugal pumps, studies have shown that the suction condition is released when the pump speed is reduced by approximately 150 rpm every 5 seconds (ie, x1 is approximately 150 rpm and t is approximately 5). Next, the normal operating range is restored by increasing the pump speed by about 50 rpm every 5 seconds (ie, x2 is about 50 rpm and t is about 5 seconds).
軸流ポンプに関しては、ポンプの回転数を5秒毎に約600rpm分(即ち、x1が約600rpmで、tが約5)減少すると、吸引状態が解除されることが研究により明らかになっている。次いで、ポンプの回転数を5秒毎に約200rpm分(即ち、x2が約200rpmで、tが約5秒)増加することで正常動作範囲に回復する。   For axial pumps, research has shown that if the pump speed is reduced by approximately 600 rpm every 5 seconds (ie, x1 is approximately 600 rpm and t is approximately 5), the suction state is released. . Next, the pump speed is increased by about 200 rpm every 5 seconds (that is, x2 is about 200 rpm and t is about 5 seconds) to return to the normal operating range.
本発明において、ポンプは、ポンプインペラに磁石を埋め込まれた遠心ポンプを含む。公知のホール効果を利用した1つ以上のホールセンサを用い、ポンプインペラ位置を検出する。ホールセンサは、ポンプインペラの垂直及び/又は水平位置の検出に用いる。インペラ位置を上部接触位置又はダイナミックサスペンション位置のうち1つに維持するため、ホールセンサが検出する位置に基づきインペラの回転数を調節する。例えばインペラ位置が底部接触位置又はその近くにあるとホールセンサが判定した場合、インペラ回転数を増加してインペラ位置をダイナミックサスペンション位置又は上部接触位置に移動するのが望ましい。インペラが底部接触位置に止まると凝血が形成されるからである。   In the present invention, the pump includes a centrifugal pump in which a magnet is embedded in a pump impeller. The pump impeller position is detected by using one or more Hall sensors using a known Hall effect. The hall sensor is used to detect the vertical and / or horizontal position of the pump impeller. In order to maintain the impeller position at one of the upper contact position and the dynamic suspension position, the rotation speed of the impeller is adjusted based on the position detected by the Hall sensor. For example, when the Hall sensor determines that the impeller position is at or near the bottom contact position, it is desirable to increase the impeller rotational speed and move the impeller position to the dynamic suspension position or the top contact position. This is because blood clots are formed when the impeller stops at the bottom contact position.
本発明の追加の実施例におけるロータリ血液ポンプは、軸流ポンプを含む。このポンプは、インペラに埋込みまれた1つ以上の磁石を含む。このポンプを心室補助循環装置として用いるとき、自然心臓の拍動がインペラに影響を与える。例えば、インペラはインペラ懸垂装置の軸に沿って水平に前後に動く。凝血又は血栓の形成を防止するためには、インペラを支持構造体との間でダイナミックサスペンションの位置に保つのが望ましい。血栓の形成を防止するには、インペラと支持構造体との間に少なくとも100ミクロンの間隙が必要である。このような抗血栓位置(ダイナミックサスペンション位置)はポンプの正常動作状態と同じである。   The rotary blood pump in an additional embodiment of the present invention includes an axial flow pump. The pump includes one or more magnets embedded in the impeller. When this pump is used as a ventricular assist circuit, the pulsation of the natural heart affects the impeller. For example, the impeller moves back and forth horizontally along the axis of the impeller suspension. In order to prevent clotting or thrombus formation, it is desirable to keep the impeller in the position of the dynamic suspension with the support structure. To prevent thrombus formation, a gap of at least 100 microns is required between the impeller and the support structure. Such an antithrombotic position (dynamic suspension position) is the same as the normal operation state of the pump.
定常流ロータリ血液ポンプを制御する方法及び装置において、ポンプ動作状態の正常動作範囲から逸脱する急激な変化に応答して、ロータリ血液ポンプを自動的に効率的に動作させることができる。   In a method and apparatus for controlling a steady flow rotary blood pump, the rotary blood pump can be automatically and efficiently operated in response to a sudden change in the pump operating state that deviates from the normal operating range.
以下は好ましい実施形態を示すものであり、本発明の範囲、適用、又は構成の限定を意味するものではない。むしろ、以下の実施形態の詳細説明は、当業者に本発明を好適に具体化できる解説を提供するであろう。添付請求項に規定する本発明の精神と範囲を逸脱することなく、細部の機能及び配置に各種の変更を行うことができることは理解されるものである。   The following are preferred embodiments and are not meant to limit the scope, application, or configuration of the invention. Rather, the following detailed description of the embodiments will provide those skilled in the art with a description that may suitably embody the invention. It will be understood that various changes can be made in the function and arrangement of details without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
本発明は、ロータリ血液ポンプ用の制御手段を提供する。ポンプを耐久性のある血栓形成防止ロータリ血液ポンプとして動作させるため心不全用のパイバスとして埋め込む際、油圧的又は磁気的いずれかの手段を用いてポンプインペラを動的に懸垂しなければならない。このロータリ血液ポンプは、遠心ポンプ又は軸流ポンプなどを含む。   The present invention provides a control means for a rotary blood pump. When the pump is implanted as a heart failure pie bath to operate as a durable antithrombotic rotary blood pump, the pump impeller must be suspended dynamically using either hydraulic or magnetic means. This rotary blood pump includes a centrifugal pump or an axial flow pump.
遠心ポンプに関して、インペラの回転数が自然心臓の拍動と同期するとき、インペラのダイナミックサスペンションが確立される。一定の回転数範囲内で、インペラがダイナミックサスペンションを達成する。一般的に、遠心ポンプに関しては、インペラの回転数範囲は約2,000±1.000RPMで4L/分±2L/分のポンプ流量を生じなくてはならない。インペラは、自然心臓が拡張期にあるときはポンプ上方に向かって動き、自然心臓が収縮期にあるときはポンプの下方に向かって移動する。雄と雌の軸受けの間に規定の間隙が、ダイナミックサスペンションを維持するのに必要である。一般的に、この間隙は、400ミクロン以上の値でなくてはならず、この間隙が400ミクロン以下であると(一般的には、80ミクロンまで)、血栓形成防止に有効なサスペンションが起こらない。上下ハウジング間のインペラの運動により、ポンプ内の血液滞留領域が周期的(一般的に約100拍動/分)に減少又は取り除かれる。したがって、血液ポンプ内の血栓生成領域も取り除かれる。   For centrifugal pumps, the impeller dynamic suspension is established when the speed of the impeller synchronizes with the beat of the natural heart. The impeller achieves a dynamic suspension within a certain rotation speed range. In general, for centrifugal pumps, the impeller speed range should be about 2,000 ± 1.000 RPM and produce a pump flow of 4 L / min ± 2 L / min. The impeller moves up the pump when the natural heart is in diastole and moves down the pump when the natural heart is in systole. A defined gap between the male and female bearings is necessary to maintain the dynamic suspension. In general, this gap should be greater than 400 microns, and if this gap is less than 400 microns (typically up to 80 microns), no effective suspension to prevent thrombus formation will occur. . The movement of the impeller between the upper and lower housings reduces or eliminates the blood residence area in the pump periodically (typically about 100 beats / minute). Therefore, the thrombus generation area in the blood pump is also removed.
流入管が垂直でないか、又は、雄(小さい方)と雌(大きい方)の軸受け径が異なる血液ポンプ内の血栓生成領域の減少を更に促進するため、インペラの振り子運動を発生させて自然心臓と同期させなければならない。一般的に、インペラが血液ポンプ内部で上部接触モードにあるとき、この振り子運動が発生する。   In order to further promote the reduction of thrombus formation areas in blood pumps where the inflow tube is not vertical or the male (smaller) and female (larger) bearing diameters are different, the impeller's pendulum motion is generated to cause natural heart Must be synchronized with. Generally, this pendulum motion occurs when the impeller is in the upper contact mode inside the blood pump.
また、軸流血液ポンプのインペラのダイナミックサスペンションも適切な条件下で可能である。インペラがインペラ懸垂システムの軸に沿って、水平に前後に運動するようにインペラのダイナミックサスペンションを、自然心臓の拍動と同期させなければならない。このようなインペラ運動によって、インペラとその前後の支持構造体との間の間隙に血栓が形成されるが防止されるのである。この形のダイナミックサスペンションに必要な間隙もまた約100ミクロン超である。   A dynamic suspension of the impeller of the axial blood pump is also possible under appropriate conditions. The impeller dynamic suspension must be synchronized with the beat of the natural heart so that the impeller moves horizontally back and forth along the axis of the impeller suspension system. Such impeller movement prevents a thrombus from being formed in the gap between the impeller and the support structure before and after the impeller. The gap required for this type of dynamic suspension is also greater than about 100 microns.
遠心ポンプに関して上述したように、インペラ運動を自然心臓の拍動と同期させることが、軸流ポンプ内での凝血形成を避けるのに不可欠である。   As described above with respect to centrifugal pumps, synchronizing impeller movement with the beats of the natural heart is essential to avoid clot formation within the axial pump.
一般的に、軸流ポンプは臨床的に必要な4L/分±2L/分の血流を生じるため、10,000±4,000RPMの範囲内で動作する。心拍により起こるインペラの前後運動中、インペラとその支持構造体との間に少なくとも100ミクロンの間隙が維持されるように前記の回転数範囲内でインペラのダイナミックサスペンションが確立されなければならない。100ミクロンより大きい間隙が好ましいが、ポンプ構造によりかなり変化するものである。また、軸流ポンプ構造での間隙が余り大き過ぎると、例えばデカップリングが発生することもある。   Generally, axial flow pumps operate within the range of 10,000 ± 4,000 RPM to produce the clinically required blood flow of 4 L / min ± 2 L / min. During the longitudinal movement of the impeller caused by the heartbeat, a dynamic suspension of the impeller must be established within the aforementioned rotational speed range so that a gap of at least 100 microns is maintained between the impeller and its support structure. Gaps larger than 100 microns are preferred, but will vary considerably depending on the pump structure. Further, if the gap in the axial flow pump structure is too large, for example, decoupling may occur.
また、磁気的にもインペラの懸垂をおこなうことができる。いかなる懸垂方法においても、軸流ポンプの軸に沿ったインペラの前後運動が耐久性があり、血栓の無い動作を実現するため必要である。   Also, the impeller can be suspended magnetically. In any suspension method, the back and forth movement of the impeller along the axis of the axial pump is necessary to achieve a durable and thrombus-free operation.
図1に図示した実施例において、確定済みの正常動作範囲を有するロータリポンプ10を備えている。正常動作範囲には、正常ポンプ流量範囲及び正常圧力ヘッド範囲が含まれる。また、正常動作範囲に基づく目標回転数でポンプ10を駆動できるモータドライバ12を、血液ポンプ10の現在動作状態を見極めることができる状態推定器14を備えている。現在動作状態には、現在ポンプ流量、現在圧力ヘッド、及びポンプの現在回転数が含まれる。(1)現在動作状態と正常動作範囲との比較を可能にし、(2)利用し得る複数の制御アルゴリズム18の中から、前記比較に基づいて適切な制御アルゴリズムを選択するのを可能にするプロセッサ16を備えている。前記正常動作範囲の維持又は回復のため、前記選択した制御アルゴリズムを用いて前記ポンプの目標回転数を調節することがコントローラ20により可能になる。   In the embodiment shown in FIG. 1, a rotary pump 10 having a fixed normal operating range is provided. The normal operating range includes a normal pump flow range and a normal pressure head range. The motor driver 12 that can drive the pump 10 at a target rotational speed based on the normal operating range is provided with a state estimator 14 that can determine the current operating state of the blood pump 10. Current operating conditions include current pump flow, current pressure head, and current pump speed. (1) a processor that enables a comparison between a current operating state and a normal operating range, and (2) a processor that allows an appropriate control algorithm to be selected based on the comparison among a plurality of control algorithms 18 that can be used. 16 is provided. The controller 20 allows the target rotational speed of the pump to be adjusted using the selected control algorithm to maintain or restore the normal operating range.
ロータリ血液ポンプ10は、左心補助人工心臓もしくは右心補助人工心臓として用いる。ロータリ血液ポンプ10は、埋込み型装置又は外付け型装置である。   The rotary blood pump 10 is used as a left heart assist artificial heart or a right heart assist artificial heart. The rotary blood pump 10 is an implantable device or an external device.
現在動作状態を判定するため、現在ポンプ流量及び現在圧力ヘッドの測定値(合わせて22と示す)を状態推定器14に伝える。ポンプ10の目標回転数を維持するのに用いるため、現在回転数24の測定値をコントローラ20に伝える。現在ポンプ流量、現在圧力ヘッド、及び現在回転数は、1つ以上のセンサを用いて測定する。1つ以上のセンサは埋込み可能センサである。本発明を実行するため外付けセンサもまた用いられることを当業者は理解するであろう。   In order to determine the current operating state, the current pump flow rate and the current pressure head measurement (collectively indicated as 22) are communicated to the state estimator 14. The measured value of the current rotational speed 24 is transmitted to the controller 20 for use in maintaining the target rotational speed of the pump 10. The current pump flow rate, current pressure head, and current speed are measured using one or more sensors. The one or more sensors are implantable sensors. Those skilled in the art will appreciate that external sensors may also be used to implement the present invention.
ポンプ10の目標回転数に関する目標動作点を決定することで、正常動作範囲が確定される。これにより、目標ポンプ流量及び目標圧力ヘッドも決まる。目標ポンプ流量から偏差20%で正常ポンプ流量範囲が設定され、目標圧力ヘッドから偏差25%で正常圧力ヘッド範囲が設定される。   By determining a target operating point related to the target rotational speed of the pump 10, the normal operating range is determined. This also determines the target pump flow rate and target pressure head. The normal pump flow range is set with a deviation of 20% from the target pump flow rate, and the normal pressure head range is set with a deviation of 25% from the target pressure head.
ポンプ流量対圧力ヘッドのプロットが図2に示され、目標動作点を中心とした正常動作範囲の例が明らかになる。図2に示す例の目標動作点は、毎分5リットルで100mmHgである。正常ポンプ流量範囲は、目標動作点ポンプ流量から20%偏差以内、即ち毎分4〜6リットルの範囲内である。正常圧力ヘッドは目標動作点圧力ヘッドから25%偏差以内、即ち75〜125mmHgの範囲内である。正常動作範囲外では、異常状態又は吸引状態が検出される。   A plot of pump flow versus pressure head is shown in FIG. 2, which reveals an example of normal operating range centered on the target operating point. The target operating point in the example shown in FIG. 2 is 100 mmHg at 5 liters per minute. The normal pump flow rate range is within 20% deviation from the target operating point pump flow rate, that is, within the range of 4-6 liters per minute. The normal pressure head is within 25% deviation from the target operating point pressure head, i.e. within the range of 75-125 mmHg. Outside the normal operating range, an abnormal condition or a suction condition is detected.
身体の循環リズム、身体の生理学的変化、及び測定ノイズの影響に基づいて、正常ポンプ流量範囲及び正常圧力ヘッド範囲を確定する。正常動作範囲内では、人体の自然な生理的コントロールメカニズムが、末梢抵抗などポンプ10への後負荷を変化させることで現在条件を調節すると想定される。このように、異常状態が検知されなければ、本発明の制御機構が身体の自律機能を妨害したり競合することはない。異常状態とは、現在のポンプ流量又は圧力ヘッドが正常動作範囲外にある状態である。そのような状態の下では、身体の生理的コントロールメカニズムの制御を超える異常な問題が生じる。   A normal pump flow range and a normal pressure head range are established based on the effects of body circulation rhythm, body physiological changes, and measurement noise. Within the normal operating range, it is assumed that the natural physiological control mechanism of the human body adjusts the current conditions by changing the afterload on the pump 10, such as peripheral resistance. Thus, if an abnormal state is not detected, the control mechanism of the present invention will not interfere with or compete with the autonomous function of the body. An abnormal condition is a condition where the current pump flow rate or pressure head is outside the normal operating range. Under such conditions, abnormal problems arise beyond the control of the body's physiological control mechanisms.
正常動作範囲にあるときは、プロセッサ16が、正常動作状態制御アルゴリズムを選択する。コントローラ20が、正常動作状態アルゴリズムに従いポンプ10に対し比例利得制御及び微分利得制御を適用することでポンプ10の目標回転数を維持する。比例利得制御及び微分利得制御は、下記の式に基づき適用される。
u=Kp(Ytarget〜Y)
+Kd((d/dt)Ytarget〜(d/dt)Y)
ここで、uはポンプ10の駆動信号、Yはポンプ10の回転数、Ytargetはポンプ10の目標回転数、Kpは比例利得で、Kdは微分利得である。一例として、Kpは約0.02に設定し、Kdは約0.05に設定する。
When in the normal operating range, the processor 16 selects a normal operating state control algorithm. The controller 20 maintains the target rotational speed of the pump 10 by applying proportional gain control and differential gain control to the pump 10 according to the normal operation state algorithm. Proportional gain control and differential gain control are applied based on the following equations.
u = K p (Ytarget~Y)
+ K d ((d / dt) Ytarget to (d / dt) Y)
Here, u is a drive signal of the pump 10, Y is a rotation speed of the pump 10, Ytarget is a target rotation speed of the pump 10, Kp is a proportional gain, and Kd is a differential gain. As an example, Kp is set to about 0.02 and Kd is set to about 0.05.
現在動作状態が前記正常動作範囲を上回る場合、プロセッサ16が第1異常動作状態制御アルゴリズムを選択する。正常動作範囲に回復するまで、第1異常動作状態制御アルゴリズムに基づき、コントローラは目標回転数を減少する。正常動作範囲に戻るまで、例えば目標回転数をt秒毎にxrpm分をコントローラが減少する。ポンプが遠心ポンプである実施例においては、xを約150rpmに設定し、tを約5秒に設定する。ポンプが軸流ポンプである実施例においては、xを約600rpmに設定し、tを約5秒に設定する。   If the current operating state exceeds the normal operating range, the processor 16 selects the first abnormal operating state control algorithm. Based on the first abnormal operation state control algorithm, the controller decreases the target rotational speed until the normal operation range is restored. Until returning to the normal operating range, for example, the controller decreases the target rotational speed by x rpm every t seconds. In embodiments where the pump is a centrifugal pump, x is set to about 150 rpm and t is set to about 5 seconds. In an embodiment where the pump is an axial pump, x is set to about 600 rpm and t is set to about 5 seconds.
現在動作状態が前記正常動作範囲を下回る場合、プロセッサ16が第2異常動作状態制御アルゴリズムを選択する。正常動作範囲に回復するまで、第2異常動作右状態制御アルゴリズムに基づき、コントローラは目標回転数を増加する。前記正常動作範囲に戻るまで、目標回転数を例えばt秒毎にx
rpm分をコントローラが増加する。ポンプが遠心ポンプである実施例においては、xを約150rpmに設定し、tを約5秒に設定する。ポンプが軸流ポンプである実施例においては、xを約600rpmに設定し、tを約5秒に設定する。
If the current operating state is below the normal operating range, the processor 16 selects the second abnormal operating state control algorithm. The controller increases the target rotational speed based on the second abnormal operation right state control algorithm until the normal operation range is restored. The target rotational speed is set to x every t seconds, for example, until returning to the normal operating range.
The controller increases the rpm. In embodiments where the pump is a centrifugal pump, x is set to about 150 rpm and t is set to about 5 seconds. In an embodiment where the pump is an axial pump, x is set to about 600 rpm and t is set to about 5 seconds.
目標回転数を増加することによって正常動作範囲に回復しない場合は、吸引状態が存在する。現在動作状態が正常動作範囲を下回り、異常状態から回復しようとするときに吸引状態が生じる。上述のように、当該異常動作状態においては、正常動作状態に回復しようとして目標回転数を増加する。しかし、目標回転数を増加した後も異常状態が続くとオーバポンピングとなりその結果、心壁がポンプの吸込口に引きつけられる吸引状態が生じる。   If the normal operating range is not recovered by increasing the target rotational speed, a suction state exists. A suction state occurs when the current operating state falls below the normal operating range and attempts to recover from an abnormal state. As described above, in the abnormal operation state, the target rotational speed is increased in order to recover the normal operation state. However, if the abnormal state continues even after the target rotational speed is increased, overpumping occurs, resulting in a suction state in which the heart wall is attracted to the suction port of the pump.
当該吸引状態の場合、プロセッサ16が吸引状態制御アルゴリズムを選択する。コントローラ20がポンプ10の目標回転数を連続して減少し、吸引状態を解除し、吸引がなくオーバポンピングのないポンプ流を得る。吸引状態が解除されると、コントローラ20はポンプの目標回転数を次第に増加し、前記正常動作範囲に回復する。吸引状態を解除するとき、目標回転数を例えばt秒毎にx1rpm分連続して減少し、吸引状態が解除されたら、目標回転数をt秒毎にx2rpm分連続的に増加する。ポンプが遠心ポンプである実施例においては、x1を約150rpm、x2を約50rpm、tを約5秒に設定する。ポンプが軸流ポンプである実施例においては、x1を約600rpm、x2を約200rpm、tを約5秒に設定する。   In the suction state, the processor 16 selects a suction state control algorithm. The controller 20 continuously decreases the target rotational speed of the pump 10 to release the suction state, and obtains a pump flow without suction and without overpumping. When the suction state is released, the controller 20 gradually increases the target rotational speed of the pump and returns to the normal operating range. When releasing the suction state, the target rotational speed is continuously reduced by, for example, x1 rpm every t seconds, and when the suction state is released, the target rotational speed is continuously increased by x2 rpm every t seconds. In an embodiment where the pump is a centrifugal pump, x1 is set to about 150 rpm, x2 is set to about 50 rpm, and t is set to about 5 seconds. In an embodiment where the pump is an axial pump, x1 is set to about 600 rpm, x2 is set to about 200 rpm, and t is set to about 5 seconds.
図3は、本発明の実施例の流れ図を示す。現在ポンプ流量及び現在圧力ヘッドを含めて、現在動作状態を検出する110。現在動作状態を正常動作範囲と比較して、現在動作条件が許容範囲内にあるか否かを判定する120。現在動作条件が許容範囲にあるときは、正常動作状態制御アルゴリズムを選択して130、図1との関連で上述したように、ポンプの目標回転数を維持する。   FIG. 3 shows a flow chart of an embodiment of the present invention. Current operating conditions are detected 110, including current pump flow and current pressure head. The current operating state is compared with the normal operating range to determine 120 whether the current operating condition is within an acceptable range. When the current operating condition is within an acceptable range, a normal operating state control algorithm is selected 130 to maintain the target pump speed as described above in connection with FIG.
現在動作条件が許容範囲内になければ、現在ポンプ流量を正常ポンプ流量範囲と比較して、現在ポンプ流量が許容範囲内にあるか否かを判定する140。現在ポンプ流量が正常ポンプ流量範囲を上回るときは、第1異常動作状態アルゴリズムを選択して150、図1との関連で上述したように、ポンプの目標回転数を減少して正常動作範囲に回復する。現在ポンプ流量が正常ポンプ流量範囲を下回るときは、第2異常動作状態アルゴリズムを選択して160、図1との関連で上述したように、ポンプの目標回転数を増加して正常動作範囲に回復する。現在ポンプ流量が正常ポンプ流量範囲内にあるときは、現在圧力ヘッドを正常圧力ヘッド範囲と比較し、現在圧力ヘッドが許容範囲内にあるか否かを判定する170。現在圧力ヘッドが正常圧力ヘッド範囲を上回るときは、第1異常動作状態アルゴリズムを選択し150、ポンプの目標回転数を減少する。現在圧力ヘッドが正常圧力ヘッド範囲を下回るときは、第2異常動作状態アルゴリズムを選択し160、ポンプの目標回転数を増加する。   If the current operating condition is not within the allowable range, the current pump flow rate is compared with the normal pump flow rate range to determine 140 whether the current pump flow rate is within the allowable range. If the current pump flow rate is above the normal pump flow range, select the first abnormal operating state algorithm 150, and reduce the target pump speed to recover to the normal operating range as described above in connection with FIG. To do. If the current pump flow rate is below the normal pump flow range, select the second abnormal operating state algorithm 160 and increase the target rotational speed of the pump to recover to the normal operating range as described above in connection with FIG. To do. If the current pump flow rate is within the normal pump flow rate range, the current pressure head is compared with the normal pressure head range to determine 170 whether the current pressure head is within an acceptable range. When the current pressure head is above the normal pressure head range, the first abnormal operating state algorithm is selected 150 and the target pump speed is decreased. When the current pressure head falls below the normal pressure head range, the second abnormal operating state algorithm is selected 160 to increase the target pump speed.
第2異常状態制御アルゴリズムが選ばれると160、微分ポンプ流量を測定して吸引状態の有無を判定する180。微分ポンプ流量がゼロより大きいときは、吸引状態は存在しない。微分ポンプ流量がゼロ未満であれば吸引状態が存在するので、吸引状態制御アルゴリズムを選択し190、ポンプの目標回転数を先ず減少して吸引状態を解除し、次に増加して、図1との関連で上述したように正常動作範囲に回復する。   If the second abnormal state control algorithm is selected 160, the differential pump flow rate is measured to determine 180 whether there is a suction state. When the differential pump flow is greater than zero, there is no suction condition. Since the suction state exists if the differential pump flow rate is less than zero, the suction state control algorithm is selected 190, the target rotational speed of the pump is first decreased to release the suction state, and then increased to As described above in connection with the above, the normal operating range is restored.
図4に示すように、ロータリ血液ポンプは遠心ポンプ10’であってもよい。この実施例において、遠心ポンプ10’はインペラ15に埋め込まれた磁石13を1つ以上有する。ポンプ10’を補助人工心臓として用いるとき、自然心臓の拍動がインペラ15に影響を与える。例えば、心臓拡張期においてインペラは上部接触位置に向かって運動し、心臓収縮期においてインペラ15は、底部接触位置に向かって運動する。また、インペラ15の左右の運動も自然心臓の拍動により生じる。凝血又は血栓の形成を防止するためには、インペラ15を、上部接触位置もしくはダイナミックサスペンション位置のいずれかに保つのが望ましい。当該血栓形成防止位置(上部接触位置又はダイナミックサスペンション位置)は、ポンプ10’の正常動作状態と同じである。   As shown in FIG. 4, the rotary blood pump may be a centrifugal pump 10 '. In this embodiment, the centrifugal pump 10 ′ has one or more magnets 13 embedded in the impeller 15. When the pump 10 ′ is used as an auxiliary artificial heart, the pulsation of the natural heart affects the impeller 15. For example, the impeller moves toward the top contact position during diastole and the impeller 15 moves toward the bottom contact position during systole. The left and right movements of the impeller 15 are also caused by the pulsation of the natural heart. In order to prevent clotting or thrombus formation, it is desirable to keep the impeller 15 in either the top contact position or the dynamic suspension position. The thrombus formation prevention position (upper contact position or dynamic suspension position) is the same as the normal operation state of the pump 10 '.
公知のホール効果を利用し、磁石13の位置からインペラ15の運動を検出するため、ホールセンサ11を用いる。ポンプ10’とポンプ動作装置17との間にホールセンサ11を置く。動作装置17とポンプ10’との間に(図4に示すように)置くための孔21が中心にある円盤19内に配置された多数のホールセンサ11a〜11fを含むホールセンサ11を図5に示す。各センサ11a〜11fは、図1のコントローラ20などに接続する導電線3を有する。   In order to detect the movement of the impeller 15 from the position of the magnet 13 using the known Hall effect, the Hall sensor 11 is used. The Hall sensor 11 is placed between the pump 10 ′ and the pump operating device 17. The Hall sensor 11 including a number of Hall sensors 11a-11f disposed in a disk 19 centered with a hole 21 for placement between the actuating device 17 and the pump 10 '(as shown in FIG. 4) is shown in FIG. Shown in Each sensor 11a to 11f has a conductive wire 3 connected to the controller 20 of FIG.
図5に、6個のホールセンサ11a〜11fを示す。当業者が本発明を実施するために、必要な読取り精度によって任意の数のホールセンサを使用してよいことが理解されるであろう。   FIG. 5 shows six hall sensors 11a to 11f. One skilled in the art will appreciate that any number of Hall sensors may be used to implement the present invention, depending on the required reading accuracy.
ホールセンサ11を用いて、異常ポンプ状態を検出することができる。例えば、インペラ15が底部接触位置(この位置は血栓の形成を招きかねない)に向かって運動するとき、インペラ15の回転数をそれ相応に調節してこの運動を相殺し、インペラを抗血栓位置であるダイナミックサスペンション位置又は上部接触位置に回復することができる。図6のグラフに示すように、インペラ回転数の増加は、インペラ15を底部接触位置から上部接触位置(図6では1.6mm点で示す)に向かって移動する。したがって、血栓形成を防止するため、ホールセンサ11を制御機構の一部として用いて、インペラ15を上部接触位置又はダイナミックサスペンション位置のいずれかに保つことが出来る。   An abnormal pump state can be detected using the hall sensor 11. For example, when the impeller 15 moves toward the bottom contact position (which can lead to thrombus formation), the speed of the impeller 15 is adjusted accordingly to offset this movement and the impeller is moved to the antithrombotic position. It is possible to recover to the dynamic suspension position or the upper contact position. As shown in the graph of FIG. 6, the increase in the impeller rotational speed moves the impeller 15 from the bottom contact position toward the top contact position (indicated by a 1.6 mm point in FIG. 6). Therefore, in order to prevent thrombus formation, the impeller 15 can be maintained at either the upper contact position or the dynamic suspension position by using the hall sensor 11 as a part of the control mechanism.
図7は、本発明の実施例の試験に用いるモデル左心臓循環回路の例を示す。示した例において、定常流ロータリ血液ポンプ10は、左心補助人工心臓として用い心尖(モデルではバッグ28として示す)と動脈室32との間に置く。動脈室32と左心房36の間に位置し、回転するクランプ装置34によって心臓の全抹消抵抗が与えられる。心臓は、拍動流ポンプ38として模擬することが出来る。モデルには、僧帽弁40及び大動脈弁42をもまた設ける。僧帽弁40の末梢端及び大動脈弁42の末梢端に、それぞれ圧力変換器44及び46を設ける。圧力変換器44及び46は、僧帽弁40と大動脈弁42との間の圧力を測定する。流量計48がポンプ10の出力側で流量を測定する。ポンプの回転数は、図1との関連で記述したように、モータドライバ12を用いて制御する。   FIG. 7 shows an example of a model left heart circulation circuit used in the test of the embodiment of the present invention. In the example shown, the steady flow rotary blood pump 10 is used as a left ventricular assist device and placed between the apex (shown as a bag 28 in the model) and the arterial chamber 32. Located between the arterial chamber 32 and the left atrium 36, a rotating clamping device 34 provides total peripheral resistance of the heart. The heart can be simulated as a pulsatile flow pump 38. The model is also provided with a mitral valve 40 and an aortic valve 42. Pressure transducers 44 and 46 are provided at the distal end of the mitral valve 40 and the distal end of the aortic valve 42, respectively. Pressure transducers 44 and 46 measure the pressure between the mitral valve 40 and the aortic valve 42. A flow meter 48 measures the flow rate at the output side of the pump 10. The rotational speed of the pump is controlled using the motor driver 12 as described in connection with FIG.
試験に当たって、図7のモデル循環回路は水で満たす。バッグ28の容積は30mlで、心尖での吸入を模擬するため、ポンプ10の入口に取り付けられている。試験の際に使用する圧力ヘッドは、圧力変換器46で測定する大動脈血圧である。図7のモデルにおける左心補助人工心臓として遠心ポンプを使用して、実験を3回おこない、本発明のシステムの性能を試験した。   For the test, the model circuit of FIG. 7 is filled with water. The bag 28 has a volume of 30 ml and is attached to the inlet of the pump 10 to simulate inhalation at the apex. The pressure head used during the test is the aortic blood pressure measured by the pressure transducer 46. Three experiments were performed using a centrifugal pump as the left ventricular assist device in the model of FIG. 7 to test the performance of the system of the present invention.
実験1:動作点制御に関するコントローラの評価 この実験においては、目標回転数を故意に上下に変化させたときのポンプ回転数の収斂の様子を評価した。この実験結果を図8に示す。 Experiment 1: Evaluation of Controller for Operating Point Control In this experiment, the state of convergence of the pump speed when the target speed was intentionally changed up and down was evaluated. The experimental results are shown in FIG.
図8は、回転数対時間のグラフであって、正常動作状態アルゴリズムが加える比例制御及び微分制御に対する、ポンプ10の収斂応答時間の例を示す。図8に示す例において、ポンプ回転数の変化は5秒毎に150rpmと設定してある。ポンプの目標回転数(点線で示す)が、4秒目に150rpmだけ上向きに(1750rpmから1900rpmまで)調節されたことを示す。ポンプの実際回転数(実線で示す)は、比例制御及び微分制御に応答して、1900rpmの新目標速度に収斂するのに約5秒を要する。   FIG. 8 is a graph of the rotation speed versus time and shows an example of the convergence response time of the pump 10 with respect to the proportional control and differential control added by the normal operation state algorithm. In the example shown in FIG. 8, the change in the pump rotation speed is set to 150 rpm every 5 seconds. It shows that the target rotational speed of the pump (indicated by the dotted line) was adjusted upward by 150 rpm (from 1750 rpm to 1900 rpm) at 4 seconds. The actual pump speed (indicated by the solid line) takes about 5 seconds to converge to the new target speed of 1900 rpm in response to proportional and differential controls.
実験2:異常状態からの回復に関するコントローラの評価 この実験においては、異常状態からの回復に当たってのコントローラ20の動作を評価するため、模擬循環回路の後負荷を増加することにより、正常状態を異常状態に変更する。後負荷は、クランプ装置34が提供する全抹消抵抗を増加することにより増加する。 Experiment 2: Evaluation of controller regarding recovery from abnormal state In this experiment, in order to evaluate the operation of the controller 20 during recovery from the abnormal state, the normal state is changed to the abnormal state by increasing the post-load of the simulated circulation circuit. Change to The afterload is increased by increasing the total erasure resistance provided by the clamping device 34.
図9(≡)〜9(≡)に、この実験結果を示す。図9(≡)に示すように、全抹消抵抗(後負荷)を増加することにより、ポンプ流量が減少する。ポンプ流量が許容範囲(図9(≡)に示すところでは4L/分など)以下に落ちると、異常状態が検出されるので、コントローラ20は、第2異常状態制御アルゴリズムを選択する。圧力ヘッドは、図9(≡)に示すように、許容範囲内に保たれている。図9(≡)は、正常ポンプ流量に回復するためポンプ10の目標回転数を増加する際の、第2異常状態制御アルゴリズムの動作を示す。図9(≡)において、ポンプの目標回転数は、図9(≡)に示すように、正常動作状態を回復するまで5秒毎に150rpm分増加する。   FIG. 9 (≡) to 9 (≡) show the results of this experiment. As shown in FIG. 9 (≡), increasing the total erasure resistance (afterload) decreases the pump flow rate. When the pump flow rate falls below an allowable range (such as 4 L / min as shown in FIG. 9 (≡)), an abnormal state is detected, so the controller 20 selects the second abnormal state control algorithm. As shown in FIG. 9 (≡), the pressure head is kept within an allowable range. FIG. 9 (≡) shows the operation of the second abnormal state control algorithm when the target rotational speed of the pump 10 is increased to recover the normal pump flow rate. In FIG. 9 (≡), the target rotational speed of the pump is increased by 150 rpm every 5 seconds until the normal operation state is recovered, as shown in FIG. 9 (≡).
実験3:ポンプの吸引状態からの解放に関するコントローラの評価 吸引状態からの回復におけるコントローラ20を評価するため、ポンプ10の入口位置を変更して、後負荷を増加する。入口位置は、バッグ28の壁近くとする。 Experiment 3: Evaluation of the controller with respect to release of the pump from the suction state In order to evaluate the controller 20 in recovery from the suction state, the inlet position of the pump 10 is changed to increase the afterload. The entrance position is near the wall of the bag 28.
図10(≡)〜(≡)に、この実験結果を示す。図10(≡)に示すように、入口位置を変更して、後負荷を増加することにより、吸引状態を生じる。現在動作状態が、正常動作範囲の下に落ちると、図1との関連で記述したように、第2異常状態制御アルゴリズムを選択し、ポンプの目標回転数を増加する。図10(≡)に示すように、圧力ヘッドは、吸引状態惹起の間であっても、許容範囲内に維持されることがある。図10(≡)は、正常ポンプ流量範囲に回復するためのポンプの目標回転数が増加することを示す。   FIG. 10 (≡) to (≡) show the results of this experiment. As shown in FIG. 10 (≡), the suction position is generated by changing the inlet position and increasing the afterload. When the current operating state falls below the normal operating range, the second abnormal state control algorithm is selected and the target rotational speed of the pump is increased as described in connection with FIG. As shown in FIG. 10 (≡), the pressure head may be maintained within an allowable range even during the suction state generation. FIG. 10 (≡) shows that the target rotational speed of the pump for recovering to the normal pump flow rate range increases.
しかし、ポンプ流量が異常状態のままであると、吸引状態が検出される。このときは吸引状態制御アルゴリズムを選択するので、ポンプの目標回転数を先ず減少して吸引状態を解除し、次いで図10(≡)に示すように増加する。しかし、モデル循環回路の動作状態は変化しないので(即ち、吸引状態を生じた入口位置及び後負荷は、外部介入がないので定常のままである)、図9(≡)に示すように、モデル回路の正常動作状態を再建することは出来ない。   However, if the pump flow rate remains in an abnormal state, the suction state is detected. At this time, since the suction state control algorithm is selected, the target rotational speed of the pump is first decreased to release the suction state, and then increased as shown in FIG. 10 (≡). However, since the operating state of the model circulation circuit does not change (that is, the inlet position and the afterload that caused the suction state remain stationary because there is no external intervention), as shown in FIG. 9 (≡) The normal operating state of the circuit cannot be reconstructed.
図10(≡)〜(≡)から分かるように、コントローラは吸引状態を解除することが出来るが、正常動作状態を再建することは出来ない。模擬循環回路は吸引状態に戻る。模擬循環回路の状態は、コントローラに応答して単独では変わらないからである。インビボ検査から、入口位置の変更が所定の回転数において、血流の急激な減少をもたらすことが推定される。身体自体の生理的コントロールメカニズムの適応性に起因する吸引状態から回復することが、本発明の制御系によって可能になる。   As can be seen from FIGS. 10 (≡) to (≡), the controller can cancel the suction state, but cannot restore the normal operation state. The simulated circulation circuit returns to the suction state. This is because the state of the simulated circulation circuit does not change alone in response to the controller. From in vivo studies, it is estimated that changing the inlet position results in a rapid decrease in blood flow at a given number of revolutions. The control system of the present invention makes it possible to recover from the suction state due to the adaptability of the body's own physiological control mechanism.
モデル環境において、正常動作状態を維持し及び回復するためのロータリ血液ポンプの制御に制御システムが有効であることが上述の実験で示される。   The above experiments show that the control system is effective in controlling a rotary blood pump to maintain and restore normal operating conditions in a model environment.
図11に示すように、ロータリ血液ポンプは軸流ポンプ200を含んでもよい。実施例において、軸流ポンプ200は、インペラ204に埋め込まれる1つ以上の磁石202を有する。インペラ202を駆動するため、モータ固定子を備えている。   As shown in FIG. 11, the rotary blood pump may include an axial flow pump 200. In an embodiment, the axial flow pump 200 has one or more magnets 202 embedded in the impeller 204. A motor stator is provided to drive the impeller 202.
ポンプ200を補助人工心臓として用いるとき、インペラ204は、自然心臓の拍動により影響を受ける。例えば、インペラ204はインペラ懸垂系の軸220に沿って水平に前後に運動する。軸受け228を用いて、インペラ204を機械的に懸垂する場合は、軸受け運動のため空間230が必要である。凝血又は血栓の形成を防止するため、インペラ204を、支持構造体222との間でダイナミックサスペンションの位置の保つこともまた望ましい。血栓の形成を防止するため、インペラ204と指示構造体222との間の間隙224には少なくとも100ミクロンが必要である。このような抗血栓位置(ダイナミックサスペンション位置)は、ポンプ200の正常動作状態と同じである。   When the pump 200 is used as an auxiliary artificial heart, the impeller 204 is affected by the beat of the natural heart. For example, the impeller 204 moves back and forth horizontally along the axis 220 of the impeller suspension system. When the impeller 204 is mechanically suspended using the bearing 228, the space 230 is required for the bearing movement. It is also desirable to keep the impeller 204 in position with the dynamic suspension relative to the support structure 222 to prevent clots or thrombus formation. To prevent thrombus formation, the gap 224 between the impeller 204 and indicating structure 222 should be at least 100 microns. Such an antithrombotic position (dynamic suspension position) is the same as the normal operation state of the pump 200.
図4及び5との関連で遠心ポンプについて記述したように、公知のホール効果を用いてインペラ204の位置を検出するため、ホールセンサ240もまた軸流ポンプ200に使用する。   A Hall sensor 240 is also used in the axial pump 200 to detect the position of the impeller 204 using the known Hall effect as described for the centrifugal pump in connection with FIGS.
インペラ202のダイナミックサスペンションもまた、機械的に代替して磁気的にも、空隙224を維持するよう、達成することができる。   The dynamic suspension of the impeller 202 can also be achieved to maintain the air gap 224, either mechanically or magnetically.
本発明が、定常流ロータリ血液ポンプ制御のための有利な方法及び装置を提供することが、理解された筈である。   It should be understood that the present invention provides an advantageous method and apparatus for steady flow rotary blood pump control.
本発明を各種図解付き実施例との関連で記述したが、請求項に規定する本発明の精神と範囲を逸脱することなく、これに対し多数の変更及び翻案をおこなうことができる。   While the invention has been described in connection with various illustrated embodiments, many modifications and adaptations may be made thereto without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the claims.
以下に、添付図面を参照して本発明を記述する。同種の参照番号は同種の要素を示す。
本発明の実施例のブロック図である。 本発明の実施例の動作状態に関する説明図である。 本発明の実施例の流れ図である。 本発明に記載のホールセンサを有する遠心ポンプの実施例を示す。 本発明に用いるためのホールセンサ構成例を示す。 図4のポンプのインペラ位置対回転数のグラフである。 本発明の実施例の試験に用いるモデル循環回路の例を示す。 本発明の実施例にしたがう定常流血液ポンプの収斂時間の図である。 (i)〜(iv)は、本発明の実施モデルにおいて異常状態から回復するときの実験結果を示す。 (i)〜10(iv)は、本発明の実施モデルにおいて吸引状態から回復するときの実験結果を示す。 本発明に記載の軸流ポンプの実施例を示す。
The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Like reference numbers indicate like elements.
It is a block diagram of the Example of this invention. It is explanatory drawing regarding the operation state of the Example of this invention. 3 is a flowchart of an embodiment of the present invention. The Example of the centrifugal pump which has a Hall sensor as described in this invention is shown. The Hall sensor structural example for using for this invention is shown. It is a graph of the impeller position of the pump of FIG. The example of the model circulation circuit used for the test of the Example of this invention is shown. FIG. 4 is a diagram of the convergence time of a steady flow blood pump according to an embodiment of the present invention. (I)-(iv) shows an experimental result when recovering from an abnormal state in the implementation model of the present invention. (I) -10 (iv) shows an experimental result when recovering from the suction state in the implementation model of the present invention. The Example of the axial-flow pump as described in this invention is shown.

Claims (43)

  1. 軸流ロータリ血液ポンプを制御するための方法であって、
    正常ポンプ流量範囲と正常圧力ヘッド範囲とを含む血液ポンプの正常動作範囲を確定するステップと、
    前記正常動作範囲にしたがって、前記ポンプの目標回転数を選択するステップと、
    現在ポンプ流量と、現在圧力ヘッドと、ポンプの現在回転数とを含む血液ポンプの現在動作状態を判定するステップと、
    現在動作状態を正常動作範囲と比較するステップと、
    前記比較に基づいて、利用することの出来る複数の制御アルゴリズムから、適切な制御アルゴリズムを選択するステップと、
    前記正常動作範囲の維持又は回復のため、前記選択される制御アルゴリズムを用いて前記ポンプの目標回転数を調節するステップと、
    の各ステップを含む方法。
    A method for controlling an axial flow rotary blood pump comprising:
    Determining a normal operating range of the blood pump including a normal pump flow range and a normal pressure head range;
    Selecting a target rotational speed of the pump according to the normal operating range;
    Determining a current operating state of the blood pump including a current pump flow rate, a current pressure head, and a current speed of the pump;
    Comparing the current operating state with the normal operating range;
    Selecting an appropriate control algorithm from a plurality of control algorithms available based on the comparison;
    Adjusting the target rotational speed of the pump using the selected control algorithm to maintain or restore the normal operating range;
    A method comprising the steps of
  2. 前記ロータリ血液ポンプを、左心補助人工心臓若しくは右心補助人工心臓のうち1つとして用いる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the rotary blood pump is used as one of a left ventricular assist device or a right ventricular assist device.
  3. 前記現在ポンプ流量と、前記現在圧力ヘッドと、前記現在回転数との測定値を、現在動作状態の決定に用いる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein measurements of the current pump flow rate, the current pressure head, and the current rotational speed are used to determine a current operating state.
  4. 前記現在ポンプ流量と、前記現在圧力ヘッドと、前記現在回転数とを、1つ以上のセンサを用いて測定する、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3, wherein the current pump flow rate, the current pressure head, and the current speed are measured using one or more sensors.
  5. 前記1つ以上のセンサが埋込み型センサである、請求項4に記載の方法。 The method of claim 4, wherein the one or more sensors are implantable sensors.
  6. 前記正常動作範囲を確定するステップが、ポンプの目標回転数に関し、目標ポンプ流量と目標圧力ヘッドとを規定する目標動作点を確定するステップを含み、
    前記正常ポンプ流量範囲は、前記目標ポンプ流量から偏差20%以内であり、
    前記正常圧力ヘッド範囲は、前記目標圧力ヘッドから偏差25%以内である、
    請求項1に記載の方法。
    Determining the normal operating range includes determining a target operating point defining a target pump flow rate and a target pressure head with respect to a target rotational speed of the pump;
    The normal pump flow rate range is within 20% of the deviation from the target pump flow rate,
    The normal pressure head range is within 25% deviation from the target pressure head.
    The method of claim 1.
  7. 前記正常動作範囲の間は、
    正常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    前記ポンプに対し比例利得制御と微分利得制御とを適用することにより、前記ポンプの前記目標回転数を維持する、
    請求項1に記載の方法。
    During the normal operating range,
    Select the normal operating state control algorithm,
    Maintaining the target rotational speed of the pump by applying proportional gain control and differential gain control to the pump;
    The method of claim 1.
  8. uを前記ポンプの駆動信号とし、
    Yをポンプの回転数とし、
    Ytargetをポンプの目標回転数とし、
    pを比例利得とし、
    dを微分利得とするとき、

    u=Kp(Ytarget−Y)
    +Kd((d/dt)Ytarget−(d/dt)Y)
    にしたがって、前記比例利得制御と微分利得制御とを適用する、請求項7に記載の方法。
    u is the drive signal of the pump,
    Let Y be the number of revolutions of the pump,
    Let Ytarget be the target rotational speed of the pump,
    Let K p be a proportional gain,
    When K d is a differential gain,
    Wherein u = K p (Ytarget-Y )
    + K d ((d / dt) Ytarget− (d / dt) Y)
    The method of claim 7, wherein the proportional gain control and the differential gain control are applied according to:
  9. pを約0.02に設定し、
    dを約0.05に設定する、
    請求項8に記載の方法。
    Set K p to about 0.02,
    Set K d to about 0.05,
    The method of claim 8.
  10. 現在動作状態が前記正常動作範囲を上回る場合は、
    第1異常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    正常動作範囲に戻るまで、目標回転数を減少する、
    請求項1に記載の方法。
    If the current operating state exceeds the normal operating range,
    Select the first abnormal operating state control algorithm,
    Decrease the target speed until it returns to the normal operating range.
    The method of claim 1.
  11. 前記正常動作範囲に戻るまで、目標回転数をt秒毎にxrpm宛減少する、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein the target rotational speed is reduced to xrpm every t seconds until returning to the normal operating range.
  12. xが約600rpmであり、
    tが約5秒である、
    請求項11に記載の方法。
    x is about 600 rpm,
    t is about 5 seconds,
    The method of claim 11.
  13. 現在動作状態が前記正常動作範囲を下回る場合は、
    第2異常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    正常動作範囲に戻るまで、目標回転数を増加する、
    請求項1に記載の方法。
    If the current operating state is below the normal operating range,
    Select the second abnormal operating state control algorithm,
    Increase the target speed until it returns to the normal operating range.
    The method of claim 1.
  14. 前記正常動作範囲に戻るまで、目標回転数をt秒毎にx rpm宛増加する、請求項13に記載の方法。 14. The method according to claim 13, wherein the target rotational speed is increased to x rpm every t seconds until returning to the normal operating range.
  15. xが約600rpmであり、
    tが約5秒である、
    請求項14に記載の方法。
    x is about 600 rpm,
    t is about 5 seconds,
    The method according to claim 14.
  16. 前記目標回転数を増加することによって正常動作範囲に回復しない場合に吸引状態が存在し、当該吸引状態の場合において、
    吸引状態制御アルゴリズムを選択し、
    吸引がなくオーバポンピングのないポンプ流を得るため、ポンプの目標回転数を連続的に減少することにより、吸引状態を解除し、
    前記吸引状態が解除されると、ポンプの目標回転数を次第に増加して前記正常動作範囲に回復する、
    請求項13に記載の方法。
    A suction state exists when the target rotational speed does not recover to the normal operating range by increasing the target rotational speed, and in the case of the suction state,
    Select the suction control algorithm,
    In order to obtain a pump flow without suction and without overpumping, the suction state is released by continuously reducing the target rotational speed of the pump,
    When the suction state is released, the target rotational speed of the pump is gradually increased to recover to the normal operating range.
    The method of claim 13.
  17. 吸引状態の解除に当たって、目標回転数をt秒毎にx1rpm宛連続的に減少し、
    吸引状態が解除されたら、目標回転数をt秒毎にx2rpm宛連続的に増加する、請求項16に記載の方法。
    In releasing the suction state, the target rotational speed is continuously reduced to x1 rpm every t seconds,
    The method according to claim 16, wherein when the suction state is released, the target rotational speed is continuously increased to x2 rpm every t seconds.
  18. 1が約600rpmであり、
    2が約200rpmであり、
    tが約5秒である、
    請求項17に記載の方法。
    x 1 is about 600rpm,
    x 2 is about 200rpm,
    t is about 5 seconds,
    The method of claim 17.
  19. 前記血液ポンプが、埋込み型ポンプ又は外付ポンプのうちの1つである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the blood pump is one of an implantable pump or an external pump.
  20. 前記軸流ポンプが、ポンプインペラに埋込まれた磁石を有する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the axial flow pump has a magnet embedded in a pump impeller.
  21. 1つ以上のホールセンサを用いて前記ポンプインペラの位置を検出するステップを更に含む、請求項20に記載の方法。 21. The method of claim 20, further comprising detecting the position of the pump impeller using one or more hall sensors.
  22. 1つ以上のホールセンサが、ポンプインペラの垂直又は水平運動のうち最低1つを検出する、請求項22に記載の方法。 23. The method of claim 22, wherein the one or more hall sensors detect at least one of vertical or horizontal movement of the pump impeller.
  23. インペラの位置をダイナミックサスペンションの位置に保つため、前記検出ステップに基づいて、前記インペラの回転数を調節するステップを更に含む、請求項21に記載の方法。 The method of claim 21, further comprising adjusting the rotation speed of the impeller based on the detecting step to keep the position of the impeller at the position of the dynamic suspension.
  24. インペラと支持構造体との間の間隙を最低100ミクロンに維持するステップを更に含む、請求項23に記載の方法。 24. The method of claim 23, further comprising maintaining a gap between the impeller and the support structure at a minimum of 100 microns.
  25. 前記ダイナミックサスペンションを、磁気的に又は機械的に実現する、請求項23に記載の方法。 24. A method according to claim 23, wherein the dynamic suspension is realized magnetically or mechanically.
  26. 軸流ロータリ血液ポンプ制御用装置であって、
    正常ポンプ流量範囲と正常圧力ヘッド範囲とを含む確立された正常動作範囲を有する軸流ロータリ血液ポンプと、
    前記ポンプを、前記正常動作範囲にしたがって目標回転数で駆動することの出来るモータドライバと、
    ポンプの現在ポンプ流量と現在圧力ヘッドと現在回転数とを含む血液ポンプの現在動作状態を判定することの出来る状態推定器と、
    (1)現在動作状態と正常動作範囲との間の比較を可能にし、(2)利用することの出来る複数の制御アルゴリズムの中から、前記比較に基づいて適切な制御アルゴリズムを選択することを可能にするプロセッサと、
    前記正常動作範囲の維持又は回復のため、前記選択される制御アルゴリズムを用いて、前記ポンプの目標回転数を調節する能力のあるコントローラと、
    を含む装置。
    An axial flow blood pump control device comprising:
    An axial flow rotary blood pump having an established normal operating range including a normal pump flow range and a normal pressure head range;
    A motor driver capable of driving the pump at a target rotational speed according to the normal operating range;
    A state estimator capable of determining the current operating state of the blood pump, including the current pump flow rate of the pump, the current pressure head and the current rotational speed;
    (1) Allows comparison between the current operating state and the normal operating range, and (2) makes it possible to select an appropriate control algorithm from a plurality of control algorithms that can be used based on the comparison. Processor to
    A controller capable of adjusting the target rotational speed of the pump using the selected control algorithm to maintain or restore the normal operating range;
    Including the device.
  27. 前記ロータリ血液ポンプが、左心補助人工心臓若しくは右心補助人工心臓のうち1つとして用いられる、請求項26に記載の装置。 27. The apparatus of claim 26, wherein the rotary blood pump is used as one of a left ventricular assist device or a right ventricular assist device.
  28. 前記現在ポンプ流量と前記現在圧力ヘッドとの測定値が、現在動作状態判定のため状態推定器に供与され、
    前記現在回転数の測定値が、前記コントローラに供与される、
    請求項26に記載の装置。
    Measurements of the current pump flow rate and the current pressure head are provided to a state estimator for current operating state determination,
    A measurement of the current speed is provided to the controller;
    27. Apparatus according to claim 26.
  29. 前記現在ポンプ流量と、前記現在圧力ヘッドと、前記現在回転数とが、1つ以上のセンサを用いて測定される、請求項28に記載の装置。 30. The apparatus of claim 28, wherein the current pump flow rate, the current pressure head, and the current speed are measured using one or more sensors.
  30. 前記1つ以上のセンサが埋込み型センサである、請求項29に記載の装置。 30. The apparatus of claim 29, wherein the one or more sensors are implantable sensors.
  31. 目標ポンプ流量と目標圧力ヘッドとを規定する前記正常動作範囲が、ポンプの目標回転数に関する目標動作点を決定するステップにより確定され、
    前記正常ポンプ流量範囲は、前記目標ポンプ流量から、偏差20%以内であり、
    前記正常圧力ヘッド範囲は、前記目標圧力ヘッドから、偏差25%以内である、
    請求項26に記載の装置。
    The normal operating range defining a target pump flow rate and a target pressure head is determined by determining a target operating point for a target rotational speed of the pump;
    The normal pump flow rate range is within 20% of the deviation from the target pump flow rate,
    The normal pressure head range is within 25% deviation from the target pressure head.
    27. Apparatus according to claim 26.
  32. 前記正常動作範囲の間は、
    前記プロセッサが、正常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    前記コントローラが、前記ポンプに対し比例利得制御と微分利得制御とを適用することにより、前記ポンプの前記目標回転数を維持する、
    請求項26に記載の装置。
    During the normal operating range,
    The processor selects a normal operating state control algorithm;
    The controller maintains the target rotational speed of the pump by applying proportional gain control and differential gain control to the pump;
    27. Apparatus according to claim 26.
  33. uを前記ポンプの駆動信号とし、
    Y をポンプの回転数とし、
    Ytargetをポンプの目標回転数とし、
    pを比例利得とし、
    dを微分利得とするとき、

    u=Kp(Ytarget−Y)
    +Kd((d/dt)Ytarget−(d/dt)Y)
    にしたがって、前記比例利得制御と微分利得制御とを適用する、請求項32に記載の装置。
    u is the drive signal of the pump,
    Let Y be the number of revolutions of the pump,
    Let Ytarget be the target rotational speed of the pump,
    Let K p be a proportional gain,
    When K d is a differential gain,
    Wherein u = K p (Ytarget-Y )
    + K d ((d / dt) Ytarget− (d / dt) Y)
    35. The apparatus of claim 32, wherein the proportional gain control and differential gain control are applied according to:
  34. pを約0.02に設定し、
    dを約0.05に設定する、
    請求項33に記載の装置。
    Set K p to about 0.02,
    Set K d to about 0.05,
    34. Apparatus according to claim 33.
  35. 現在動作状態が前記正常動作範囲を上回る場合は、
    前記プロセッサが、第1異常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    前記コントローラが、目標回転数を、正常動作範囲に回復するまで減少させ、
    請求項26に記載の装置。
    If the current operating state exceeds the normal operating range,
    The processor selects a first abnormal operating state control algorithm;
    The controller decreases the target rotational speed until it returns to the normal operating range,
    27. Apparatus according to claim 26.
  36. 前記正常動作範囲に回復するまで、目標回転数がt秒毎にx rpm宛減少する、請求項35に記載の方法。 36. The method according to claim 35, wherein the target rotational speed is reduced to x rpm every t seconds until the normal operating range is restored.
  37. xが約600rpmであり、
    tが約5秒である、
    請求項36に記載の装置。
    x is about 600 rpm,
    t is about 5 seconds,
    37. The device according to claim 36.
  38. 現在動作状態が前記正常動作範囲を下回る場合は、
    前記プロセッサが、第2異常動作状態制御アルゴリズムを選択し、
    前記コントローラが、目標回転数を、正常動作範囲に回復するまで増加させ、
    請求項26に記載の方法。
    If the current operating state is below the normal operating range,
    The processor selects a second abnormal operating state control algorithm;
    The controller increases the target rotational speed until it returns to the normal operating range,
    27. The method of claim 26.
  39. 前記正常動作範囲に回復するまで、目標回転数がt秒毎にx rpm宛増加する、請求項38に記載の方法。 39. The method of claim 38, wherein the target rotational speed is increased to x rpm every t seconds until the normal operating range is restored.
  40. xが約600rpmであり、
    tが約5秒である、
    請求項39に記載の方法。
    x is about 600 rpm,
    t is about 5 seconds,
    40. The method of claim 39.
  41. 前記目標回転数を増加することによって正常動作範囲に回復しない場合に吸引状態が存在し、当該吸引状態の場合とにおいて、
    前記プロセッサが、吸引状態制御アルゴリズムを選択し、
    前記コントローラが、吸引がなくオーバポンピングのないポンプ流を得るため、ポンプの目標回転数を連続的に減少することにより、吸引状態を解除し、
    前記吸引状態が解除されると、前記コントローラがポンプの目標回転数を次第に増加して前記正常動作範囲に回復させ、
    請求項38に記載の装置。
    A suction state exists when the target rotational speed is not recovered by increasing the target rotational speed, and in the case of the suction state,
    The processor selects a suction state control algorithm;
    The controller releases the suction state by continuously decreasing the target rotational speed of the pump in order to obtain a pump flow without suction and without overpumping,
    When the suction state is released, the controller gradually increases the target rotational speed of the pump to restore the normal operating range,
    40. The apparatus of claim 38.
  42. 吸引状態の解除に当たって、目標回転数がt秒毎にx1rpm宛連続的に減少し、
    吸引状態が解除されたら、目標回転数がt秒毎にx2rpm宛連続的に増加する、請求項41に記載の方法。
    In releasing the suction state, the target rotational speed continuously decreases to x1 rpm every t seconds,
    42. The method according to claim 41, wherein when the suction state is released, the target rotational speed is continuously increased to x2 rpm every t seconds.
  43. 1が約600rpmであり、
    2が約200rpmであり、
    tが、約5秒である、
    請求項42に記載の装置。
    x 1 is about 600rpm,
    x 2 is about 200rpm,
    t is about 5 seconds,
    43. Apparatus according to claim 42.
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